(57)【要約】 【課題】  単純な構造を持ち、設置面積が小さく、駆動トルクが大きく、高信頼性のレンズモジュールを提供すること。【解決手段】  電極面に対し平行方向に分極軸を持ち駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する圧電素子１２、基板１３および駆動板１４を有する駆動素子と、その電極面に平行な接触面を持ち圧電素子１２のせん断変形により発生する駆動力で回転する筐体２２と、光学レンズ２６を保持した筒状の筐体２３と、筐体２２の回転運動を光軸２７方向の運動に変換して筐体２３に伝える運動変換伝達機構とを備えるレンズモジュールであり、駆動パルスを圧電素子１２に印加することで発生した駆動力による筐体２２の回転運動を、前記運動変換伝達機構により光軸２７方向の運動に変換し、筐体２３を駆動することで、光学レンズ２６を光軸方向に移動させるレンズモジュールである。また、圧電素子１２は円周に沿って配置され、駆動素子全体の中心軸は光軸２７上にある。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極面に対し平行方向に分極軸を有し、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子と、前記電極面と略平行に形成された接触面を有し、前記せん断変形により発生する駆動力を前記接触面で受けて回転する筒状または円柱状の回転体と、光学レンズを保持した筒状筐体と、前記回転体の回転運動を所定方向の運動に変換して前記筒状筐体に伝える運動変換伝達機構とを備えることを特徴とするレンズモジュール。
【請求項２】
前記電気−機械変換素子は、電極面に対し平行方向に分極軸を有し駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子の要素が円周に沿って複数個配置されてなることを特徴とする請求項１記載のレンズモジュール。
【請求項３】
前記電気−機械変換素子と、前記回転体および筒状筐体とが、前記光学レンズの光軸に沿って、同軸に配設されたことを特徴とする請求項１または２記載のレンズモジュール。
【請求項４】
前記電気−機械変換素子の中心部には開口が設けられたことを特徴とする請求項３記載のレンズモジュール。
【請求項５】
前記電気−機械変換素子の２種類が同軸に配設され、各々、前記光学レンズを保持した筒状筐体を互いに独立に移動させることを特徴とする請求項４記載のレンズモジュール。
【請求項６】
前記電気−機械変換素子に、昇圧速度と降圧速度が異なるパルス電圧を印加することで、前記回転体を回転させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレンズモジュール。
【請求項７】
前記運動変換伝達機構はリードスクリューであり、前記回転体および筒状筐体は前記リードスクリューによって機械的に結合されたことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のレンズモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の方向に移動する光学レンズを備えるレンズモジュールに係り、特に、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラあるいは携帯電話のカメラに用いて好適なレンズモジュールに関し、さらに詳しくは、オートフォーカスおよびズーム機構を有する光学機器に好適なレンズモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラにオートフォーカスやズーム機能を持たせるためには、光軸に沿って光学レンズを移動させる機構が必要であり、従来から電磁式のモータを用いた方法が知られている。近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話にみられるように、機器の小型化が急速に進み、それに伴って電磁式のモータから、圧電素子に代表される電気−機械変換素子によるレンズ移動の方法が提案されている。例えば、特許文献１には、圧電素子を用いて光学レンズを保持する円筒状の筐体を回転させることによって、光学レンズを移動させる構造が開示されている。  
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１２８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている方法では、圧電素子を、レンズを保持する筐体の外部に設置し、筐体を回転させる構造をとっているため、レンズモジュールの設置面積（床面積）が大きくなるという問題がある。また、圧電素子による駆動力を伝達する接触部の面積が小さく、駆動トルクを大きくすることが容易でないという問題あるいは機械的衝撃力に対する信頼性を確保するのが容易でないという問題がある。
【０００５】
この状況にあって、本発明の課題は、単純な構造を持ち、設置面積が小さく、駆動トルクが大きく、高信頼性のレンズモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明のレンズモジュールは、電極面に対し平行方向に分極軸を有し、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子と、前記電極面と略平行に形成された接触面を有し、前記せん断変形により発生する駆動力を前記接触面で受けて回転する筒状または円柱状の回転体と、光学レンズを保持した筒状筐体と、前記回転体の回転運動を所定方向の運動に変換して前記筒状筐体に伝える運動変換伝達機構とを備えることを特徴とする。
【０００７】
前記電気−機械変換素子は、電極面に対し平行方向に分極軸を有し駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子の要素が円周に沿って複数個配置されてなるとよい。
【０００８】
前記電気−機械変換素子と、前記回転体および筒状筐体とが、前記光学レンズの光軸に沿って、同軸に配設されるとよい。
【０００９】
前記電気−機械変換素子の中心部には開口が設けられるとよい。
【００１０】
前記電気−機械変換素子の２種類が同軸に配設され、各々、前記光学レンズを保持した筒状筐体を互いに独立に移動させるとよい。
【００１１】
前記電気−機械変換素子に、昇圧速度と降圧速度が異なるパルス電圧を印加することで、前記回転体を回転させるとよい。
【００１２】
前記運動変換伝達機構はリードスクリューであり、前記回転体および筒状筐体は前記リードスクリューによって機械的に結合されるとよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、駆動素子として、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子を用いており、さらに、電気−機械変換素子と、この電気−機械変換素子の駆動力により回転可能な筐体とが光学レンズの光軸上に同軸に配列してなる構造をとっているため、回転可能な筐体とほぼ同じ面積の床面積でレンズモジュールを形成することができる。また、複数のレンズを独立で移動させることが可能なため、オートフォーカスとズーム機能が求められる小型カメラのアクチュエータとして利用できる。
【００１４】
さらに、本発明のレンズモジュールは、電気−機械変換素子とレンズの光軸を同軸に配置しない場合にも、構造が単純で部品点数も少なく面接触により電気−機械変換素子の回転駆動力を伝達するので、低コストで製造が可能であるだけでなく、高トルクであり、機械的衝撃力に対して高信頼である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図４は、筒状筐体を回転させる駆動素子の構造の一例を斜視図で示している。この駆動素子は、複数の圧電素子１２を基板１３に接着し、また、駆動面１５を有する駆動板１４が圧電素子１２に接着している。なお、図４においては、圧電素子１２の連接構造が分かりやすいように、駆動板１４の接着前の状態を示している。基板１３と駆動板１４の材質は、特に限定しないが、圧電素子１２の電極としての機能を有することが望ましいため、ステンレスやアルミなどの金属材料が好適である。この圧電素子１２は、図５に斜視図で示すように、あらかじめ分極処理が施されている。その圧電素子１２の、分極方向１１と垂直方向に電圧を印加すると、図６に断面図で示すように、印加する電圧の大きさに比例してせん断変形が発生する。ここで、図６は、圧電素子１２の断面図である。また、電圧の極性を反転すると、せん断変形の方向は逆方向になる。この関係は、（１）式で表すことができる。
【００１６】
δ＝ｄ15×Ｖ  ・・・・・（１）
ここで、δはせん断変形の変位、Ｖは印加電圧、ｄ15は圧電素子１２の圧電定数である。（１）式から、δは圧電素子１２の寸法には依存せず、材料定数と印加電圧のみで決定されることが分かる。
【００１７】
この変形を図４の駆動素子で考えると、基板１３を電気的にグランドとして、駆動板１４に電圧を印加すると、駆動面１５が基板１３に対して、（１）式できまる量だけ回転することが分かる。この駆動素子の駆動面１５上に、図７で概念的斜視図で示すように回転可能なロータ１６を設置し、電圧を急速に印加するとロータ１６は回転せず、電圧を低速で印加するとロータ１６が回転する。すなわち、電圧を急速に印加し、ゆっくりと落とすというパルス電圧を交流で印加すると、ロータ１６は連続的に回転する。また、電圧の極性を反転する、あるいは、電圧をゆっくり印加し、急速に落とすことで逆回転が可能である。
【００１８】
圧電素子１２の材質はジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ３）を主成分とする圧電セラミクスであることが好適であるが、他に、ビスマス層状セラミクス、ニオブ酸カリウムあるいはニオブ酸ナトリウムを主成分とするセラミクスなどの、非鉛材料なども使用可能である。また、ニオブ酸リチウムなどの単結晶材料も使用可能である。
【００１９】
ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ３）を主成分とする圧電セラミクスによる圧電素子の作製については、一般的な圧電セラミクスの製法により、焼結体を製造し、機械加工などにより所定の形状とした後、銀などを用いて仮電極を形成後、図５に示す方向に分極処理を施す。その後、仮電極を機械的に取り除き、基板１３と駆動板１４に接着する面にスパッタなどで外部電極を形成し、基板１３および駆動板１４を接着することで、駆動素子を製造する。このようにして、電極面に対し平行方向に分極軸を有し駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子を製造する。
【００２０】
前述のように圧電素子１２の変形は、圧電素子１２の形状によらないため、圧電素子１２の寸法は自由に設定することができる。例えば、圧電素子１２として、矩形形状のものを用い、分極方向を周方向にそろえて同心円状に配列しても良い。ただし、ロータ１６を円滑に回転させるためには、図４に示したように、円筒形状の圧電セラミクスを複数に切断し、周方向に沿って分極することが好適であり、また、圧電素子１２の個数を減らすこともできる。
【００２１】
この駆動素子を用いた、本発明の一実施の形態でのレンズモジュールを図１に斜視図で示す。また、図２にその断面図を示す。本実施の形態のレンズモジュールは、圧電素子１２、基板１３、駆動板１４からなる駆動素子と、ベース２８と、光軸２７を中心軸として回転可能な筐体（回転体）２２、光学レンズ２６を保持する筐体（筒状筐体）２３、回転可能な筐体２２に押圧力を加えるガイド２４、筐体２３の移動を光軸２７方向に拘束するロッド２５、および光学レンズ２６からなる。ここで、筐体２２に作用するガイド２４は、筐体２２の水平方向に対するガイドが目的であって、筐体２２の回転を抑制しない程度の押さえ力で、駆動素子の駆動面１５（図４参照）に筐体２２を押し付けている。
【００２２】
回転可能な筐体２２と、光学レンズ２６を保持する筐体２３の材質は特に限定されないが、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話のカメラモジュールとして考えた場合、プラスチックなどの樹脂を用いるのが一般的である。また、これらの寸法は、光学レンズ２６の寸法に依存するが、大略、外形８〜１５ｍｍ、高さ７〜２０ｍｍ程度である。
【００２３】
光学レンズの種類と枚数、および、位置関係は、レンズモジュールの使用目的によって異なるため、図１および図２においては、オートフォーカスやズームに用いられる光学レンズ２６のみを載せ、他の固定レンズについては省略した。また、複数のレンズを独立で移動させることも容易であるが、簡略化のために、１個の可動レンズの場合について示した。
【００２４】
回転可能な筐体２２と、光学レンズ２６を保持する筐体２３とは、図示しないリードスクリュー（たとえば、雄ねじの山または雌ねじの谷に相当するらせん状の部位と略直線方向に運動方向を拘束された部位とが組み合わされ、らせん状の部位の回転運動を略直線方向の運動に変換して伝えるスクリュー）によって機械的に結合しており、光学レンズ２６を保持する筐体２３は回転しないようにロッド２５によって保持されている。
【００２５】
その駆動素子の電極に駆動パルス電圧を印加することで回転可能な筐体２２が回転し、リードスクリューを介して、光学レンズ２６を保持する筐体２３が光軸２７に沿って直進移動する。この直進移動により、光学レンズ２６が光軸２７に沿って移動する。光学レンズ２６を保持する筐体２３の移動量と移動速度は、オートフォーカスやズームなどの使用目的に適合するよう適宜決定し、リードスクリューの構造や駆動電圧と駆動周波数を選定する。
【００２６】
以上説明したように、本発明においては、電極面に対し平行方向に分極軸を有し、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子からなる駆動素子と、その駆動力により回転可能な筐体２２とが、光学レンズ２６の光軸２７に沿って同軸に配列されているため、回転可能な筐体２２とほぼ同じ面積の床面積（設置面積）でレンズモジュールを形成することができた。
【００２７】
以上、１個の可動レンズを制御する場合について説明したが、たとえば、オートフォーカスとズームのために、複数の可動レンズを制御する場合についても、図４のような中心部に開口を有する電気−機械変換素子を２種類用いると、第１の電気−機械変換素子の開口に合わせて第２の電気−機械変換素子を同軸に配置し、各々、光学レンズを保持した筒状筐体を互いに独立に移動させることができ、さらに実用性が高められる。
【００２８】
図３に、本発明の他の実施の形態でのレンズモジュールを部分断面図で示す。ハッチングで指示した部分は切断面であり、リードスクリュー３２はねじ類の慣例に従い断面図とはせず、それを回転駆動する駆動素子についても断面図ではなく正面図で描いた。
【００２９】
図４で説明したものと同じ構造の駆動素子を用いて、リードスクリュー３２を回転させる。光学レンズ３３は２本のロッド３５によって保持されるとともに、リードスクリュー３２の回転によって光軸３６に沿って直進移動する。図３に示した、本実施の形態では、駆動素子が光軸３６と同軸には配置されていないため、図１の実施の形態に比較すると床面積は増加するものの、構造をさらに単純化し、薄型とすることができる。
【００３０】
以上のように、本発明では、電極面に対し平行方向に分極軸を有し、駆動電圧に応じて分極軸方向にせん断変形する電気−機械変換素子（圧電素子）を用いたので、電力損失が少なく、また面接触により回転駆動力を伝達するので、強いトルクが得られる。さらに、同軸構造または単純な薄型構造を採用したので、機械的衝撃に対して高信頼性のレンズモジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態でのレンズモジュールを示す斜視図。
【図２】本発明の一実施の形態でのレンズモジュールを示す断面図。
【図３】本発明の他の実施の形態でのレンズモジュールを示す部分断面図。
【図４】本発明に係る駆動素子の一例を示す概念的な斜視図。
【図５】本発明に係る圧電素子の分極方向を示す斜視図。
【図６】本発明に係る圧電素子のせん断変形を説明する断面図。
【図７】本発明における回転駆動の原理を説明する概念的な斜視図。
【符号の説明】
【００３２】
１１    分極方向
１２    圧電素子
１３    基板
１４    駆動板
１５    駆動面
１６    ロータ
２２    筐体（回転体）
２３    筐体（筒状筐体）
２４    ガイド
２５，３５    ロッド
２６，３３    光学レンズ
２７，３６    光軸
２８，３７    ベース
３２    リードスクリュー
δ    せん断変形の変位
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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